第三章無(wú)機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度

第三章無(wú)機(jī)材料的脆性斷裂與強(qiáng)度第1頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第4頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第5頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常溫下，大多數(shù)無(wú)機(jī)材料在外力作用下很少有塑性形變，即呈現(xiàn)出脆性。脆性和材料的成分、結(jié)構(gòu)、受力條件和環(huán)境等因素有關(guān)。脆性斷裂：材料受力后，將在低于其本身結(jié)合強(qiáng)度的情況下作應(yīng)力再分配；當(dāng)外加應(yīng)力的速度超過(guò)應(yīng)力再分配的速率時(shí)，發(fā)生斷裂。第6頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)度：材料的強(qiáng)度是抵抗外加負(fù)荷的能力。強(qiáng)度是極為重要的力學(xué)性能，是設(shè)計(jì)和使用材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。要求材料具有抵抗拉、壓、彎、扭、循環(huán)載荷等不同強(qiáng)度指標(biāo)。第7頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月強(qiáng)度樹(shù)圖的建立：以強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度為樹(shù)干，理論解釋為樹(shù)皮，支配強(qiáng)度的宏觀因素和微觀因素為樹(shù)根，將各種強(qiáng)度特性以樹(shù)枝形式伸展到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。例如：高溫材料必須在高溫下具有一定的斷裂強(qiáng)度，必須掌握如何評(píng)價(jià)它的耐熱性、熱沖擊、化學(xué)腐蝕和機(jī)械沖擊等特性。

強(qiáng)度樹(shù)圖第8頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磨損摩擦硬度機(jī)械沖擊化學(xué)腐蝕耐熱性熱疲勞熱沖擊斷裂強(qiáng)度材料的強(qiáng)度強(qiáng)度理論光學(xué)材料多孔質(zhì)材料高溫材料結(jié)構(gòu)材料玻璃水泥耐火材料復(fù)合材料電子電器材料生物材料耐摩擦材料耐磨損材料工具材料第9頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解決材料強(qiáng)度的理論：位錯(cuò)理論：微觀上抓住位錯(cuò)缺陷，闡明塑性形變的微觀機(jī)理。斷裂力學(xué)：宏觀上抓住微裂紋缺陷（脆性斷裂的主要根源）第10頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1理論斷裂強(qiáng)度從原子間的結(jié)合力入手，只有克服原子間結(jié)合力，材料才能斷裂。即知道原子間應(yīng)力-應(yīng)變曲線的精確形式，就可算出理論斷裂強(qiáng)度。第11頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Orowan近似正弦曲線來(lái)近似原子間約束力隨距離變化的曲線圖第12頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：使單位面積的原子平面分開(kāi)所做的功等于產(chǎn)生兩個(gè)單位面積的新表面所需的表面能時(shí)，材料才能斷裂。其中：th

理論強(qiáng)度；x平衡時(shí)原子間距的增量；：表面能；λ正弦曲線波長(zhǎng)。第13頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平衡距離附件，服從胡克定律，直線代替曲線：第14頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月理論斷裂強(qiáng)度只與彈性模量E、斷裂表面能γ、晶格常數(shù)a等材料常數(shù)有關(guān)。第15頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2格里菲斯微裂紋理論格里菲斯認(rèn)為實(shí)際材料中總存在許多細(xì)小的裂紋或缺陷，在外力作用下，這些裂紋和缺陷附近就產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋就開(kāi)始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。格里菲斯從能量的觀點(diǎn)來(lái)研究裂紋擴(kuò)展的臨界條件。第16頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月裂紋擴(kuò)展單位面積所釋放的能量為dWe/dC，而形成新的單位表面積所需的表面能為dWs/dC。dWe/dC＜dWs/dC，穩(wěn)定狀態(tài)，裂紋不擴(kuò)展dWe/dC＞dWs/dC，裂紋迅速擴(kuò)展dWe/dC＝dWs/dC，臨界狀態(tài)第17頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其中，C為裂紋半長(zhǎng)，σ為外加應(yīng)力，E為彈性模量，γ為斷裂表面能。第18頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：理論強(qiáng)度公式中a為原子間距，而格里菲斯臨界應(yīng)力公式中C為裂紋半長(zhǎng)?？梢?jiàn)如果能控制裂紋長(zhǎng)度和原子間距同數(shù)量級(jí)，就可使材料達(dá)到理論強(qiáng)度。制備高強(qiáng)度材料的方向：即是E、γ應(yīng)大，裂紋尺寸應(yīng)小。第19頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3應(yīng)力強(qiáng)度因子材料結(jié)構(gòu)件中不可避免地存在宏觀裂紋這一客觀事實(shí)。結(jié)構(gòu)件在低應(yīng)力下脆性破壞正是裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。斷裂力學(xué)——研究裂紋體的強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展規(guī)律的科學(xué)。說(shuō)明斷裂是裂紋這種宏觀缺陷擴(kuò)展的結(jié)果，闡明了宏觀裂紋降低斷裂強(qiáng)度的作用。第20頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.1裂紋擴(kuò)展方式裂紋有三種擴(kuò)展方式：(I)張開(kāi)型、(II)錯(cuò)開(kāi)型、(III)撕開(kāi)型。其中，張開(kāi)型是低應(yīng)力斷裂的主要原因，主要介紹這種擴(kuò)展類(lèi)型。第21頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的規(guī)律：不同裂紋尺寸的試件做拉伸實(shí)驗(yàn)（張開(kāi)型），測(cè)出斷裂應(yīng)力σc與裂紋長(zhǎng)度C有如下關(guān)系：當(dāng)作用力σ=σc時(shí)，斷裂就發(fā)生。第22頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.2裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析Cxyrθσ對(duì)于I型裂紋的應(yīng)力場(chǎng)分析：第23頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.3KI與幾何形狀因子第25頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.4臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子經(jīng)典強(qiáng)度理論：許用應(yīng)力[σ]=σf/n或σys/n，其中σf為斷裂應(yīng)力，σys為屈服強(qiáng)度，n為安全系數(shù)。新的表征材料特征的臨界值來(lái)做判斷：此臨界值叫做平面應(yīng)變斷裂韌性KIC，判據(jù)為應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)小于或等于材料平面應(yīng)變斷裂韌性，所設(shè)計(jì)的構(gòu)件是安全的。第26頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題：哪種待選鋼是安全的？有一構(gòu)件，實(shí)際使用應(yīng)力為1.30GPa，有兩種鋼待選：甲鋼σys=1.95GPa，KIC=45MPa·m1/2乙鋼σys=1.56GPa，KIC=75MPa·m1/2待選鋼的幾何形狀因子Y=1.5，最大裂紋尺寸為1mm。第27頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3.5裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力與阻力第28頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可見(jiàn)KIC是由熟知的彈性模量E、斷裂表面能γ等所決定的物理量。反映具有裂紋的材料對(duì)外界作用的一種抵抗能力，也可以說(shuō)是阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料固有的性質(zhì)。KIC和微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，是結(jié)構(gòu)敏感的。第29頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.5裂紋的起源與擴(kuò)展晶體微觀結(jié)構(gòu)中存在缺陷（a）位錯(cuò)組合；（b）晶界障礙；（c）位錯(cuò)交截3.5.1裂紋的起源

實(shí)際材料都是裂紋體，這些裂紋如何形成？第30頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料表面機(jī)械損傷與化學(xué)腐蝕形成表面裂紋，裂紋的擴(kuò)展常由表面裂紋開(kāi)始。熱應(yīng)力形成的裂紋。（各方向膨脹或收縮不同）第31頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月格里菲斯裂紋理論，材料的斷裂強(qiáng)度決定于裂紋的大小，一旦裂紋超過(guò)臨界尺寸，裂紋就快速擴(kuò)展。3.5.2裂紋的擴(kuò)展第32頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月作用應(yīng)力不超過(guò)臨界應(yīng)力材料中設(shè)置吸收能量的機(jī)構(gòu)（如在陶瓷材料基體中加入塑性粒子或纖維而制成金屬陶瓷和復(fù)合材料）人為地在材料中造成大量極細(xì)微的裂紋，也能吸收能量，阻止裂紋擴(kuò)展（韌性陶瓷）3.5.3防止裂紋擴(kuò)展的措施第33頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.6無(wú)機(jī)材料中裂紋的亞臨界擴(kuò)展在使用應(yīng)力下，裂紋隨著時(shí)間的推移而緩慢擴(kuò)展，這種緩慢擴(kuò)展也叫亞臨界擴(kuò)展，或稱為靜態(tài)疲勞。裂紋緩慢擴(kuò)展，一旦其尺寸達(dá)到臨界尺寸就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展而破壞。因此提出了構(gòu)件的壽命問(wèn)題。第34頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月亞臨界裂紋擴(kuò)展的機(jī)理？1.應(yīng)力腐蝕理論：在一定的環(huán)境溫度和應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子作用下，材料中關(guān)鍵裂紋尖端處，裂紋擴(kuò)展動(dòng)力與裂紋擴(kuò)展阻力的比較，構(gòu)成裂紋開(kāi)裂或止裂的條件。例如玻璃或陶瓷在OH-介質(zhì)作用下，裂紋亞臨界擴(kuò)展的機(jī)理：裂紋尖端的SiO2與OH-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使裂紋尖端處的離子鍵受到破壞，自由表面能降低，裂紋擴(kuò)展阻力降低，小于裂紋擴(kuò)展動(dòng)力，導(dǎo)致裂紋在低應(yīng)力水平下開(kāi)裂。第35頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.高溫下裂紋尖端的應(yīng)力空腔作用：多晶多相陶瓷在高溫下長(zhǎng)期受力作用時(shí)，晶界玻璃相的黏度下降，晶界處于甚高的局部拉應(yīng)力狀態(tài)，玻璃相則發(fā)生黏性流動(dòng)，使結(jié)構(gòu)缺陷逐漸長(zhǎng)大，形成空腔。第36頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)亞臨界裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)材料壽命？第37頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第38頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.7蠕變斷裂多晶材料在高溫和恒定應(yīng)力作用下，由于形變不斷增加而導(dǎo)致斷裂稱為蠕變斷裂。蠕變斷裂的主要形式是沿晶斷裂。1.黏性流動(dòng)理論：高溫下晶界發(fā)生粘性流動(dòng)，在晶界交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，并且使晶界交界處產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致斷裂。2.空位聚積理論：在應(yīng)力及熱波動(dòng)作用下，晶界上空位濃度增加，空位大量聚積，形成裂紋，導(dǎo)致斷裂。第39頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.8顯微結(jié)構(gòu)對(duì)材料脆性斷裂的影響晶粒尺寸

多晶材料破壞多是沿晶界斷裂，走迂回曲折的道路，晶粒越細(xì)，路程越長(zhǎng)，這樣就提高了臨界應(yīng)力。第40頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣孔的影響第41頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.9提高無(wú)機(jī)材料強(qiáng)度的幾種途徑在晶體結(jié)構(gòu)既定情況下，控制強(qiáng)度的主要因素有三個(gè)：彈性模量E，斷裂表面能γ和裂紋尺寸C。唯一可以控制的是材料中的微裂紋C，可以把微裂紋理解為各種缺陷的總和。第42頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微晶、高密度與高純度（消除缺陷）預(yù)加應(yīng)力：人為地在材料表面造成一層壓應(yīng)力層，提高材料的抗張強(qiáng)度。如鋼化玻璃：加熱，然后淬冷，表面變成剛性的，內(nèi)部逐漸冷卻，比表面有更大速率收縮，此時(shí)表面受壓，內(nèi)部受拉，在表面形成壓應(yīng)力。第43頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)強(qiáng)化：改變表面的化學(xué)組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部大，產(chǎn)生壓應(yīng)力。通常是用一種大的離子置換小的。相變?cè)鲰g：利用多晶多相陶瓷中某些相成分在不同溫度下的相變。例如ZrO2的相變?cè)鲰g，由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵w積增大3~5%。彌散增韌：基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微粒粉料，達(dá)到